СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-6

40 / 82

Для изготовления высокоточных дат
чиков на эффекте Холла обычно ис
пользуются магниты простых геомет
рических форм (куб, параллелепипед,
цилиндр) имагнитные системыиз них
на основе редкоземельных элементов
[1], например, самарий кобальт илине
одим железо бор, безмагнитопроводов
измагнитомягкихматериалов, которые
могут ухудшить технические характе
ристикииз за гистерезиса. Фактор вре
менной стабильности магнитных сис
тем является определяющим.
Магнитный поток, создаваемый ми
ниатюрным постоянным магнитом
илимагнитной системой, изменяется с
течением времени под воздействием
электромагнитных помех, механичес
ких нагрузок, температуры, радиации,
влияния соседних магнитных масс и
др. При этом различают структурную
(старение) и магнитную нестабиль
ности. Первая обусловлена кристалли
ческим строением, возможнымифазо
выми превращениями, уменьшением
внутренних напряжений и другими
причинами.
Отличия в нестабильности миниа
тюрных магнитов (и их систем) от мас
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
40 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2011
сивных заключаются в том, что при
чины, их вызывающие, имеют различ
ные относительные уровни. Например,
доля изменений из за градиента тем
ператур и деформаций снижается, а
доля изменений из за воздействия
электромагнитных помех растёт. Об
щая нестабильность вызывается су
перпозицией нескольких причин, ко
торые не имеют ни аналитическо
го описания, ни экспериментального
разделения даже в массивных маг
нитах.
Для получения микромагнитов прос
тых форм (параллелепипед, куб) из
поставляемых массивных магнитов
обычно выполняется электроэрозион
ная резка с точностью 0,05 мм. Мик
роскопические исследования показа
ли, что в закритических магнитах на
основе материалов самарий–кобальт
и магнитов Nd–Fe–B после электро
эрозионной резки остаётся дефектный
слой. Этот слой имеет несколько мик
ротрещин или сетку микротрещин
глубинойдо500мкм, а качествоповерх
ности не превышает 4 го класса чис
тоты [2]. Поэтому операция электро
эрозионной резки применима для
магнитов, размеры которых превы
шают 5 мм.
Для изготовления миниатюрных
магнитов с линейными размерами ме
нее 5 мм авторами использовалась опе
рация электрохимического профиль
ного шлифования (U = 12…15 В, I =
= 100…130 А), которая не даёт сколов и
трещин; чистота обработки поверх
ности соответствует 9 му классу точ
ности [2]. Заданные геометрические
размеры магнита выдерживаются с
точностью не ниже ±0,01 мм.
Магнитная стабилизация миниатюр
ного магнита проводилась термообра
боткой в печи, с трёхкратной цикли
ческой выдержкой при заданной тем
пературе, зависящей от химическо
го состава магнита, в течение 2 ч с по
следующиммедленным охлаждением.
Температура выдержки выбиралась
из условия превышения максималь
ной температуры эксплуатации на
50…70 °С. Как известно, магниты из
сплавов кобальта с редкоземельны
ми элементами, например, SmCo5 и
КС 37А, используются при температу
ре до 100 °С.
При проектировании датчиков ли
нейных и угловых перемещений с ис
пользованием миниатюрных магнит
ных системна основе редкоземельных
магнитов и микроминиатюрных пре
образователей Холла целесообразно
использовать компьютерные расчёты
индукциимагнитного поля, например,
при помощи программы Finite Element
Method Magnetics (femm, версия 4.2)
[3]. Построение моделиминиатюрного
магнита илиминиатюрноймагнитной
системы, по сравнению с массивными
образцами, требует учёта размерных
особенностей, чтобы получить хоро
шее согласование с экспериментом.
Так как дефектный слой имеет не
сколько микротрещин или сетку мик
ротрещин глубиной до 500 мкм, реаль
ный объём миниатюрного магнита не
совпадает с объёмом (и размерами), в
котором его можно описывать намаг
ниченностью М.
В дефектном слое намагниченность
гораздо меньше (М→ 0) и является не
контролируемой величиной. Это не
принципиально для распределения
индукции магнитного поля на рас
стоянии, превышающем размеры де
фектного слоя. Но если составляется
конфигурация магнитов с геометри
ческим зазором между ними, стремя
щимся к нулю, то для корректного опи
сания геометрии необходимо учиты
вать несовпадение геометрических
размеров магнита и размеров, где маг
нит может быть описан намагничен
ностью М, как показано на рисунке 1.
Даже в тщательно обработанных по
верхностях магнитов, в том числе, маг
нитов, искусственно состаренных при
повышенных температурах, дефект
M
Вp
δ ∆
Рис. 1. Модель магнита с учётом дефектной
поверхности
Датчики линейных перемещений
на эффекте Холла
Павел Моисеев (г. Москва), Игорь Буслов, Валерий Бауткин,
Александр Драпезо, Вячеслав Ярмолович (г. Минск, Беларусь)
Рассмотрены подходы к проектированию датчиков линейных
перемещений (типа «магнитный репер») с использованием
миниатюрных магнитных систем на основе редкоземельных магнитов
и микроминиатюрных преобразователей Холла. Приведены результаты
расчётов индукции магнитного поля, сделанные в программе
Finite Element Method Magnetics.
© СТА-ПРЕСС